不同的特性
現(xiàn)已廣泛使用的鋰離子電池，是繼承原來的優(yōu)點(diǎn)克服了缺點(diǎn)而逐步發(fā)展而來的。鋰電池的負(fù)極材料是金屬鋰，正極材料為金屬氧化物，按照命名規(guī)定稱這種電池為鋰電池。由于金屬鋰的化學(xué)性質(zhì)特別活潑，為電池的安全性帶來一定的隱患。為了解決安全問題又利用鋰電極的電極電位高的優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池就應(yīng)運(yùn)而生了。鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰或氧化錳鋰（又稱鈷酸鋰或錳酸鋰）還有一種是磷酸鐵鋰，負(fù)極材料是碳，其原理都是通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極炭材料中的嵌入與遷出來實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。
與傳統(tǒng)的化學(xué)電源相比，鋰電池具有比能量大、工作溫度范圍廣、儲(chǔ)存性能好、電壓高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)。鋰電池的工作原理就是指其充放電原理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳，呈層狀結(jié)構(gòu)有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔里，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對(duì)電池放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。不難看出，鋰離子電池充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端比喻為電池的兩極，而鋰離子就象是優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來回奔跑，所以專家們又給鋰電池起了一個(gè)可愛的名字——搖椅式電池。
由于上述特點(diǎn)，鋰電池一直是近年來大力開發(fā)的高技術(shù)熱點(diǎn)之一。從熱力學(xué)的角度上講，鋰能夠與所有的有機(jī)物反應(yīng)。在鋰一次電池中，金屬鋰的穩(wěn)定性來自于鋰與電解質(zhì)反應(yīng)生成金屬鋰表面的鈍化膜（SEI）。然而對(duì)于鋰二次電池，由于反復(fù)地充放電，在電池中生成高活性表面的鋰枝晶，與鋰一次電池中金屬鋰在放電過程中逐漸被消耗掉是不一樣的。1990年初，索尼能源技術(shù)公司報(bào)道了以碳材料為負(fù)極，過渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2為正極的鋰離子二次蓄電池體系。由于這種電池的正負(fù)極均為嵌鋰化合物，避免了金屬鋰在反復(fù)充放電時(shí)表面形貌變化引起的循環(huán)性不良和安全性差等問題。鋰二次電池按所用的電解質(zhì)類型可分為有機(jī)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)（高聚合物電解質(zhì)）、無機(jī)電解質(zhì)和熔鹽電解質(zhì)四類。該電池除了采用富鋰材料作正極外，首次提出采用能夠插鋰的石油焦作為負(fù)極材料，使鋰離子電池具有全新的發(fā)展。
自從鋰離子電池投放市場以來，一直集中于小型便攜式手機(jī)等可移動(dòng)設(shè)備等方面的用途。九十年代后期，人們已不滿足于鋰離子電池的小功率性能，對(duì)鋰離子電池寄予更高的期望，進(jìn)而開發(fā)出高功率大容量的動(dòng)力型電池，其容量高達(dá)100Ah~200Ah，甚至300~500Ah等。從此，出現(xiàn)了鋰離子動(dòng)力電池的概念。
燃料電池其實(shí)是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。雖然被稱作電池，但與傳統(tǒng)可重復(fù)使用的電池所不同的是：無須使用外界電源進(jìn)行充電程式，就能于電力耗竭后再行使用。源泉是采用與現(xiàn)行車輛加油相同的形式補(bǔ)充燃料增加能源。有專家認(rèn)為燃料電池名稱不是很適當(dāng)，燃料是指在反應(yīng)過程中會(huì)被使用及消耗的物質(zhì)，就如同現(xiàn)階段車輛系統(tǒng)所使用的燃料汽油一般，必須重復(fù)地進(jìn)行燃料添加動(dòng)作，才能維持系統(tǒng)或機(jī)器的正常運(yùn)行。電池則指一般傳統(tǒng)的、經(jīng)由電解質(zhì)與正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)、釋放電子電能產(chǎn)生電力，以提供用電使用；在能量耗盡時(shí)經(jīng)由外加電力進(jìn)行充電，促使還原反應(yīng)的進(jìn)行，回復(fù)原先狀態(tài)的特性。燃料電池的名稱可能是因?yàn)樾枰貜?fù)添加燃料，以及經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能量，由于兩種物質(zhì)加在一起，因而得名。
燃料電池種類繁多，依電極產(chǎn)生氫和氧的機(jī)制不同及電解質(zhì)和操作溫度不同，主要有六種類型，分別分堿性、磷酸、熔融碳酸鹽、固態(tài)氧化物、質(zhì)子交換膜、直接甲醇等。
堿性燃料電池（AFC），使用KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中，由于氧在堿性溶液中的電化學(xué)反應(yīng)速度比在酸性溶液中大，因此可以得到較大的電流密度和輸出功率，此類技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟。磷酸燃料電池（PAFC），采用磷酸為電解質(zhì)，正負(fù)電極系列用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，在100~200℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性強(qiáng)，由于貴金屬鉑的用量比堿性的燃料電池大大減小，所以制作成本較低。熔融炭酸鹽燃料電池（MCFC），用兩種或多種碳酸鹽的低融混合物作為電解質(zhì)，如用堿碳酸鹽低溫共融體滲透進(jìn)多孔性基質(zhì)，電極用鎳粉燒制而成，兩極粉末中含多種過渡金屬元素作穩(wěn)定劑，目前在美國、日本及西歐研究和利用較多。固體氧化物燃料電池（SOFC），電解質(zhì)是復(fù)合氧化物，在千度以下高溫時(shí)，有很強(qiáng)的離子導(dǎo)電性，由于鈣、鐿或釔等混入離子介態(tài)低于鋯離子的介態(tài)，使部分氧負(fù)離子晶格位空出來而導(dǎo)電。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），是正在迅速發(fā)展起來的溫度最低、比能最高、啟動(dòng)最快、壽命最長、應(yīng)用最廣的第五代燃料電池，核心技術(shù)是電極三合一組件的制備技術(shù)；采用熱壓的方法將電極、膜及電極壓合在一起，形成電極膜電極三合一組件，其中質(zhì)子交換膜的技術(shù)參數(shù)直接影響著三合一組件的性能，因而關(guān)系到整個(gè)電池組的技術(shù)運(yùn)行效率。直接甲醇燃料電池（DMFC），是利用電解聚合膜只允許特定化學(xué)物質(zhì)通過的特性，產(chǎn)生了熱力學(xué)電動(dòng)勢，膜的一側(cè)是正極充滿了甲醇和水，可以將甲醇分解為氫原子和二氧化碳，分離后的氫原子被剝奪了電子可以通過膜到達(dá)膜的另一側(cè)；陰極催化劑則由質(zhì)子（缺少一個(gè)電荷的氫原子）和空氣中的氧氣反應(yīng)形成了缺少一個(gè)電子的水，通過連接陽極至陰極的導(dǎo)線，在陽極上氫原子上脫離的電子可以移動(dòng)到陰極上，與缺少電子的物質(zhì)結(jié)合，降低膜之間的電壓使之低于平衡值，可產(chǎn)生有效的電能量。
燃料電池的總特性是與它的名稱相符合，即：燃料+化學(xué)反應(yīng)=電能，是一種將儲(chǔ)存在燃料里的氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。
發(fā)展中的技術(shù)較量
為滿足現(xiàn)代市場對(duì)電池不斷增加的性能要求，提高比能量（尤其是體積比能量）一直是鋰離子蓄電池技術(shù)改進(jìn)的主要內(nèi)容。電池的比能量與正負(fù)極活性材料密切相關(guān)，材料的研究與改進(jìn)是提高比能量的首要任務(wù)。繼LiCoO2富鋰材料作正極以后，人們又發(fā)現(xiàn)了尖晶石型錳基氧化物L(fēng)iMn2O4做正極材料。研究發(fā)現(xiàn)通過摻雜適當(dāng)?shù)慕饘匐x子及表面包覆適宜的氧化物、可有效延長該類產(chǎn)品的循環(huán)壽命，是一種廉價(jià)的動(dòng)力型鋰離子蓄電池可選的正極材料。而選擇橄欖石型磷酸鐵鋰做正極材料，是目前的研究熱點(diǎn)。其固有優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定性和潛在的低成本。研究表明，采用摻雜及表面包覆導(dǎo)電碳材料以及采用優(yōu)選的制備工藝，可以大大提高導(dǎo)電性和放電率，并具有充放電電壓非常平穩(wěn)、放電至零伏仍能很好恢復(fù)不損壞、良好的濫用安全性及循環(huán)壽命，是一種非常有前途的適用于動(dòng)力型鋰離子蓄電池的正極材料。
負(fù)極活性材料的改進(jìn)，主要選擇高容量低成本的碳材料，如MCMB、石墨、改性石墨三種。其中改性石墨是將片狀石墨加工成球狀石墨，再在表面包覆納米級(jí)碳須制成改進(jìn)石墨。據(jù)稱可使不可遞容量從62mAh/g下降到50mAh/g，同時(shí)提高了振實(shí)密度，改善了導(dǎo)電性，而且避免了層狀石墨的剝離現(xiàn)象。而選用納米復(fù)合負(fù)極材料，包括納米鋰合金（主要是錫基及硅基）包覆的復(fù)合材料，例如包碳的納米硅，Si-C復(fù)合材料，比容量可達(dá)1500mAh/g，而且循環(huán)性能良好，還有表面栽植SnSb的納米硬碳材料，比容量可達(dá)700mAh/g，以及Cr2O3納米顆粒外包覆及石墨的核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，比容量可達(dá)700-800mAh/g。目前，這類材料正在積極開發(fā)并且多項(xiàng)試用中。
在提高比能量的研究中，除了上述正負(fù)極材料的改進(jìn)外，在工藝設(shè)計(jì)技術(shù)方面，采用加大電極涂層密度、提高電芯充填量、采用更薄的集流體，采用鋁外殼及鋁塑軟包裝等工藝，使電池的比能量得到一定的提高。以18650型圓柱電池為例，改進(jìn)后容量從最初的1000mAh提高到現(xiàn)今的2400mAh。據(jù)稱這是常規(guī)材料的18650鋰離子蓄電池能達(dá)到的極限，而采用負(fù)極材料Co-Sn-C無定型復(fù)合材料，正極為混合多元過渡金屬氧化物的18650型蓄電池，容量可達(dá)2500mAh。用表面包覆納米材料的實(shí)用型摻AL和Co的鎳基層狀氧化物正極，配以與正極相適應(yīng)的特種電解液，使18650型蓄電池容量達(dá)到2800mAh。在動(dòng)力型鋰電池方面，用Li（Ni，Mn，Co）O2復(fù)合正極與傳統(tǒng)的碳負(fù)極制成的方型UF553436蓄電池，比能量達(dá)到203wh/kg，若用新型正極與Si薄膜負(fù)極活性組成比能量超過250wh/kg。并預(yù)測新型鋰離子電池體系的體積比能量到2010年可能達(dá)到700wh/L（方型）和800wh/L（圓型）。
鋰離子蓄電池在延長壽命及提高安全性方面，主要是選用相穩(wěn)定的正負(fù)極材料，通過合理的包覆及摻雜技術(shù)提高正負(fù)活性材料本身及與電解液界面的穩(wěn)定性，采用適宜的功能添加劑提高電池的耐過充能力，優(yōu)化正負(fù)極活性材料可逆容量比及降低活性材料比表面，也對(duì)延長壽命提高安全性有一定的作用。而采用新型隔膜及電解質(zhì)材料也會(huì)進(jìn)一步提高安全性延長壽命。例如一種新型陶瓷無機(jī)隔膜，其特點(diǎn)是良好的高溫穩(wěn)定性和良好的電解液濕潤性，18650型蓄電池采用這種隔膜比常規(guī)的電池充放電率性能有所提高，容量由87%提高到90%，耐過充能力實(shí)驗(yàn)用IC電流過充到6.5V仍能安全通過，而常規(guī)隔膜的電池過充1.1倍容量后就可爆炸。
燃料電池技術(shù)發(fā)展最為成熟的是堿性燃料電池（AFC）。此類電池在航天飛行及潛艇中已成功應(yīng)用。發(fā)展堿性燃料電池的核心技術(shù)在于避免二氧化碳對(duì)堿性電解液成份的破壞，不論是空氣中百分之幾的二氧化碳成份，還是烴類的重整氣使用時(shí)所含的二氧化碳，都要進(jìn)行去除處理。此外，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成的水需要及時(shí)排出，以維持水平衡。這些要求無疑增加了系統(tǒng)的總體造價(jià)。此外，簡化排水和控制系統(tǒng)是堿性燃料電池需要解決的核心問題，而在電池應(yīng)用的貴金屬鉑催化劑用量比較大，是目前商業(yè)化運(yùn)作實(shí)際應(yīng)用率不高的瓶頸。
目前國際上功率較大的燃料電池電力站，均采用酸性燃料電池（PAFC）。美國將磷酸燃料電池列為國家重點(diǎn)研究計(jì)劃進(jìn)行開發(fā)，并已向全世界出售200kw級(jí)的磷酸燃料電池。在美國和日本，有幾套磷酸燃料電池裝置甚至已達(dá)到連續(xù)發(fā)電1萬小時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。歐洲現(xiàn)在也有五套200kw的PAFC發(fā)電系統(tǒng)。磷酸燃料電池發(fā)電技術(shù)雖已得到發(fā)展，并且已有多起商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)案例，但因其啟動(dòng)時(shí)間較長以及余熱剩余價(jià)值低等發(fā)展障礙，導(dǎo)致其發(fā)展速度減緩。
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），目前仍以美國、日本及西歐研究和利用較多。2.5kw管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經(jīng)問世，在解決其性能衰減和電解質(zhì)遷移方面已取得突破。美國燃料電池能源公司已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室測試263kw發(fā)電裝置。意大利和西班牙的兩家公司合作開發(fā)100kw熔融碳酸鹽燃料發(fā)電裝置和500kw的發(fā)電裝置。日本東芝公司開發(fā)出低成本的10kw MCFC發(fā)電裝置后，日立公司也相繼開發(fā)出1kw的此類燃料電池發(fā)電裝置。熔融碳酸鹽燃料電池中的陰極、陽極、電解質(zhì)隔膜、雙極板是基礎(chǔ)研究的四大重點(diǎn)，這四大部件的集成是電池組及電站安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)核心。
世界各國在固體氧化物燃料電池（SOFC）的研制已有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。已經(jīng)開發(fā)了管式、平板式和瓦楞式等多種結(jié)構(gòu)型式的SOFC。這種被稱為第三代的燃料電池，美國和日本多家公司正在開發(fā)10kw平面輪機(jī)的發(fā)電裝置。德國西門子電器公司正在測試100kw管狀工作堆。臺(tái)灣的核能研究所也在從事SOFC的基礎(chǔ)研究。SOFC在高溫、密封和結(jié)構(gòu)上的問題，如電極的燒結(jié)、電解質(zhì)與電極之間的介面化學(xué)擴(kuò)散，以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極材料的穩(wěn)定性等，都在一定程度上限制著固體氧化物燃料電池的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），原本是為了航天和軍用電源開發(fā)的。在美國《時(shí)代周刊》的社會(huì)調(diào)查結(jié)果中被列為21世紀(jì)十大科技新技術(shù)之首。美國多家公司及日本三洋、三菱公司也研究開發(fā)出可移動(dòng)PEMFC發(fā)電工作堆。加拿大電力系統(tǒng)公司與日本EBARA公司合作研究開發(fā)出250kw級(jí)PEMFC發(fā)電設(shè)備和kw級(jí)可攜式發(fā)電系統(tǒng)。德國也在柏林建造了一個(gè)250kw級(jí)的PEMFC的實(shí)驗(yàn)堆。我國為了在燃料電池技術(shù)上不落后于世界強(qiáng)國，在大連物理化學(xué)研究所也研發(fā)出了30kw的PEMFC發(fā)電設(shè)備。PEMFC的價(jià)格直接影響著商業(yè)化進(jìn)程。因此，除了必要元件性能的改進(jìn)及提升外，降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本以及初購成本，是發(fā)展PEMFC的重要技術(shù)研發(fā)方向。
直接甲醇燃料電池（DMFC），總的化學(xué)反應(yīng)是和甲醇燃料相同，當(dāng)提供電流時(shí)，甲醇在陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被氧化，在陽極電催化產(chǎn)生電子通過外部電路到達(dá)陰極電催化劑，電子在一個(gè)還原反應(yīng)中被消耗，電路通過電極間的質(zhì)子傳導(dǎo)維持在電池中。由于觸媒大致均會(huì)使用鉑等貴金屬，在反應(yīng)過程中極易因一氧化碳與鉑產(chǎn)生反應(yīng)，縮短了鉑的使用壽命，當(dāng)然也縮短了直接甲醇燃料電池的可使用壽命，所以后期研究中均加入（Ru）添加劑，以避免鉑中毒事情發(fā)生，延長電池的可使用壽命。降低成本，也是直接甲醇燃料電池的重要研究課題。
在燃料電池和鋰二次蓄電池的技術(shù)發(fā)展路線上，表面看起來似乎是燃料電池在向電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展，實(shí)際是燃料電池“野心勃勃”，力圖取代所有的可移動(dòng)可攜帶電源市場。十幾年來，鋰電池技術(shù)及其市場的蓬勃發(fā)展，苦心經(jīng)營打造大量市場份額的局面，豈能善罷干休？
在應(yīng)用領(lǐng)域的激烈PK
人類在探索自驅(qū)動(dòng)交通工具中，車輛最早使用的動(dòng)力源就是電池。當(dāng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取代電池動(dòng)力源技術(shù)以后近一百年，面臨石油危機(jī)和環(huán)境污染存在的難題，特別在金融危機(jī)風(fēng)景中，人類更“卯”足勁力圖依賴新能源經(jīng)濟(jì)改善目前的危難局面，以燃油汽車驅(qū)動(dòng)的歷史即將輪回到電力動(dòng)力源的創(chuàng)新革命中。由于傳統(tǒng)的電池終究代替不了現(xiàn)代交通突飛猛進(jìn)的應(yīng)用要求，鋰電池在初始定位于小型可移動(dòng)電器的應(yīng)用范圍時(shí)，又不得不肩負(fù)歷史的重任，順應(yīng)歷史潮流發(fā)展了鋰動(dòng)力電池。
面對(duì)燃料電池咄咄逼人的形勢，鋰動(dòng)力電池從開始的10Ah容量迅速發(fā)展到200Ah~300Ah。當(dāng)燃料電池在交通領(lǐng)域向公交客車定位時(shí)，鋰動(dòng)力電池并不退縮，而是大膽地向這個(gè)世界上別人不敢越步的領(lǐng)域進(jìn)軍。2001年，世界上第一輛以鋰離子動(dòng)力電池為動(dòng)力的電動(dòng)大客車，由北京理工大學(xué)、北京燕科新技術(shù)公司和北京公交總公司共同研制的BJ6100-EV公交客車誕生了。該車總重量15610kg，額定載客人數(shù)65人，最大載客人數(shù)90人，長寬高：10715×2500×3090mm；最高時(shí)速70km；最大爬坡度20%。該車匹配的是雷天TS-LP9393A型鋰動(dòng)力電池；電池單體規(guī)格3.6V/200Ah-5.5kg；電池組規(guī)格：108×3.6V/3×200Ah-1900kg；使用ZYCD-75型直流帶增磁繞組自動(dòng)弱磁復(fù)合式電動(dòng)機(jī)，額定功率75kw，最大功率120kw。從2001年12月重新試運(yùn)行以后，到2006年運(yùn)行65000km時(shí)，324塊單體電池只有6塊替換掉，目前早已完成了10萬公里的運(yùn)行目標(biāo)，這輛用鋰動(dòng)力電池配載的電動(dòng)公交汽車試驗(yàn)成功，為我國開發(fā)純電動(dòng)汽車的技術(shù)路線搭建了平臺(tái)，也為科技奧運(yùn)使用中國技術(shù)的純電動(dòng)汽車展現(xiàn)了風(fēng)采。在奧運(yùn)會(huì)期間，100輛新能源高科技客運(yùn)車的行列里，有40輛電動(dòng)客車使用了鋰動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)電源。
鋰動(dòng)力電池在客運(yùn)汽車上的應(yīng)用，說明了燃料電池達(dá)到的動(dòng)力源程度鋰動(dòng)力也能達(dá)到。在電動(dòng)大客車用高功率、高電壓、高能量的電動(dòng)動(dòng)力源都能滿足的情況下，鋰離子動(dòng)力電池滿足其它載人用車的功率還在話下嗎？用鋰動(dòng)力電池匹配的各種電動(dòng)車有：腳踏助力型電動(dòng)自行車，采用3.6V/10Ah電池×8只的電池組，總?cè)萘?0Ah，工作電壓12-17V，一次性充電行駛距離18-28公里；匹配10Ah/3.6V×10只電池組裝置自行車，總?cè)萘?0Ah，電池組工作電壓28-42V，一次性充電續(xù)駛里程50-70km，時(shí)速10-15km；使用TS-LP6163型鋰動(dòng)力電池配載的普通電動(dòng)摩托車，電池組為3.6V/50Ah×14只，工作電壓35V~63V，最高時(shí)速60km，一次性充電可連續(xù)行駛80~110km；采用TS-LP8581A型動(dòng)力電池配置的電動(dòng)小轎車，電池組由3.6V/100Ah×138只串并聯(lián)，總?cè)萘?00Ah，工作電壓130V~195V，載5人，最高時(shí)速120km，一次性充電續(xù)駛里程350~420km；中巴車使用TS-LP9393A鋰動(dòng)力電池，電池組用3.6V/200Ah×252只串并聯(lián)，總?cè)萘?00Ah，工作電壓為235V-316V，最高時(shí)速100km，一次充電續(xù)駛260~300km。
由于鋰動(dòng)力電池具有配置各種功率的最大自由化程度，所以使用在大功率澎湃動(dòng)力的高級(jí)豪華型轎車上，同樣可以產(chǎn)生如奔馳、寶馬級(jí)跑車的效果。如果配置微小型商用車或家用車，對(duì)鋰動(dòng)力電池來說更不在話下。
在上述幾種燃料電池中，以氫燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）為代表的燃料電池發(fā)展較快。一個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域是交通運(yùn)輸工具。2005年，美日兩國的一些汽車公司對(duì)公共交通汽車用燃料電池研發(fā)投入數(shù)額較大。如：美國的ACTransit重新設(shè)計(jì)公交客車的底盤以利于氫能電池的應(yīng)用；日本本田株式會(huì)社也推出了利用燃料電池配置豪華FCX概念車，并且在2005年8月進(jìn)入美日市場?；A(chǔ)建設(shè)方面，2006年全球氫能燃料站已達(dá)140個(gè)，大部份位于北美地區(qū)，特別在美國加洲，已經(jīng)投放90多輛由燃料電池驅(qū)動(dòng)的公交汽車，并預(yù)計(jì)幾年內(nèi)將這個(gè)數(shù)字增加至300輛。美國政府將氫能和燃料電池，作為維持經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全至關(guān)重要的必經(jīng)發(fā)展的技術(shù)之一。
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域開發(fā)燃料電池應(yīng)用的佼佼者，較為領(lǐng)先的有通用、戴?克、豐田、本田等汽車業(yè)界巨頭。豐田公司1999年以來陸續(xù)推出6種燃料電池的混合動(dòng)力汽車，上面提到的FCX汽車已通過美國加里福尼亞洲空氣資源局和美國環(huán)保署的認(rèn)證，并在加州的街頭行駛。豐田一種五座純?nèi)剂想姵仄嚂r(shí)速達(dá)96英里，一次充滿燃料可行駛180英里。本田的4座燃料電池汽車時(shí)速也達(dá)90英里，充滿燃料一次行程為220英里。三菱汽車公司的燃料電池汽車也緊跟其后，正式獲得日本國土交通大臣的認(rèn)可。亞瑪哈公司在摩托車上研發(fā)燃料電池的項(xiàng)目也獲得批準(zhǔn)應(yīng)用。
通用公司的“胃口”曾經(jīng)更大，聲稱推出100萬輛不虧本的燃料電池汽車進(jìn)入市場，它展示的“氫能三號(hào)”是區(qū)別于NPV燃料電池的改進(jìn)，并在全球巡展，號(hào)稱達(dá)到商業(yè)化水平。這次金融危機(jī)，美國三大汽車巨頭雖然受災(zāi)極其嚴(yán)重，但在新能源技術(shù)上畢竟具有優(yōu)勢，其技術(shù)專利仍然有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通用還展出的車型有輪殼電機(jī)S-10混合動(dòng)力貨車，以及與鈴木公司合作設(shè)計(jì)的可乘坐4人的燃料電池轎車，還有與我國上汽集團(tuán)合作研發(fā)的“鳳凰”燃料電池電動(dòng)概念車。通用的“胃口”曾經(jīng)儼然要做燃料電池汽車的“老大”，假如這次危機(jī)不倒閉還會(huì)東山再起的話仍然還會(huì)成為國際跨國公司的巨頭。戴?克公司在燃料電池的應(yīng)用上則致力于以小到大的發(fā)展原則，它推出的一款一廂2座的商用車，2002年5月20日開始，用16天時(shí)間從美國西部舊金山，橫穿美國大陸，到達(dá)東部華盛頓，實(shí)現(xiàn)無故障行駛的記錄。從2003年開始，戴?克這款NECAR5的靚麗微型燃料電池汽車在全球巡展。
歐盟推出了燃料電池公交汽車示范合作計(jì)劃，戴?克和曼公司為試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目分別提供多種專用的燃料電池客車底盤。歐盟對(duì)車用燃料電池的成本標(biāo)準(zhǔn)要求是：<100歐元/kw，并建立了“氫能和燃料電池技術(shù)平臺(tái)”。在燃料電池公交汽車的示范合作計(jì)劃里，歐盟使用了31輛用燃料電池配置的公交巴士。
我國第一輛燃料電池大客車是2008年12月28日在北京順利通過國家科技部專家組驗(yàn)收的。燃料電池客車長11米、寬2.5米，高3.4米，設(shè)50個(gè)座位，載重量達(dá)5噸。按國家“十五863”計(jì)劃指標(biāo)，功率1500kw，時(shí)速80km，最大爬坡度>20%，續(xù)駛里程<200km，全部達(dá)標(biāo)。以萬鋼教授為首的“超越”號(hào)燃料電池電動(dòng)轎車的研發(fā)工作也順利完成。“超越”經(jīng)歷了1號(hào)2號(hào)3號(hào)的研發(fā)過程，其性能指標(biāo)一號(hào)超越一號(hào)，其實(shí)用性穩(wěn)定性可靠性均達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。上海神力科技有限公司與清華大學(xué)汽車研究所合作。為中國燃料電池客車在2008年奧運(yùn)用車作出了偉大貢獻(xiàn)。我國在燃料電池汽車領(lǐng)域里的成功應(yīng)用，打破了跨國公司在燃料電池汽車領(lǐng)域里的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了《節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目》里的策略目標(biāo)。
鋰動(dòng)力電池和燃料電池進(jìn)軍電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。鋰離子電池以其質(zhì)量輕、功率密度高，可攜帶方便首先搶占了小型可攜帶電器市場；而燃料電池面對(duì)全球偌大的可攜電器市場，也在窺視并有伺機(jī)搶占的欲望。燃料電池向“小”、鋰動(dòng)力電池向“大”的方面發(fā)展，是兩種不同性質(zhì)的電池展開同一樣的市場競爭，那么究竟誰能讓消費(fèi)者滿意呢？
市場大比拼
鋰離子電池進(jìn)入市場以來，幾乎是以迅雷不及掩耳之勢迅速搶占了小型充電電器市場。到2005年年銷售量為4500億美元，2001年為2300億，2002年2700億，2003年3300億，2004年4100億，每年是以10%以上的速度遞增。據(jù)一份統(tǒng)計(jì)圖表，2005年其中手機(jī)占60%，筆記本電腦占28%，攝錄機(jī)6%，其它占6%，在鋰離子電池的主流市場是手機(jī)和筆記本電腦時(shí)，隨著大容量高功率的鋰離子電池的發(fā)展，已經(jīng)推向了電動(dòng)交通汽車用，以及各種工業(yè)用蓄電池（如電信、UPS等）市場的擴(kuò)展，鋰電池市場的占有率會(huì)越來越寬，在動(dòng)力電池市場，鋰電池起碼已有上億元人民幣的份額進(jìn)入奧運(yùn)會(huì)的電動(dòng)汽車行列。
面對(duì)鋰離子電池如此巨大的市場，燃料電池同時(shí)也瞄向手機(jī)、筆記本電腦等小型便攜電源市場。由于DMFC直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化和微型化，因此也適合作為便攜式電源用于民用工業(yè)和軍事工業(yè)中。雖然直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種形式，但它以甲醇為燃料，因而與氫燃料電池相比，在電池系統(tǒng)構(gòu)造、燃料來源、貯存等諸多方面均存在很大優(yōu)勢，具備了微型化的條件也就有了進(jìn)入市場的可能。越來越多的跡象表明，便攜式燃料電池產(chǎn)品必將會(huì)擠占應(yīng)用電器市場，只不過是時(shí)間早晚的問題。
從燃料電池目前真正進(jìn)入商業(yè)化電動(dòng)車應(yīng)用市場和發(fā)電市場看，2005年日本PEMFC燃料電池的產(chǎn)值達(dá)到69.6億日元，是2004年的3.1倍。致力于PEMFC質(zhì)子交換膜燃料電池研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)有松下電子、日本石油、豐田汽車、日立、東芝等。其中豐田汽車公司在2005年世博會(huì)（愛知縣）上展出了大型PHV-BUSZ通勤車，采用混合燃料系統(tǒng)，以純氫為燃料，安裝有兩個(gè)90kw的燃料電池組。2005年日本的熔融碳酸鹽燃料電池MCPC的發(fā)電市場規(guī)模為8.5億日元。在MCPC研發(fā)中占主導(dǎo)地位的是石川島擂摩重工，在愛知05世博會(huì)上，他們也展示了300kw和1000kw的燃料電池組件。
據(jù)Freedonia Group公司預(yù)測，世界燃料電池市場由2004年的3.75億美元，將成長為2009年約25.8億美元。預(yù)計(jì)2014年世界燃料電池系統(tǒng)需求值可成長為135.5億美元，其中發(fā)電系統(tǒng)占有率為51.7%，其次為便攜式電子產(chǎn)品，并以便攜式電子產(chǎn)品需求值增長速度最快。至于燃料電池技術(shù)類型，目前以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）占五成以上居多，但預(yù)期未來市場占有率會(huì)逐年下降，將為快速成長的固體氧化物燃料電池和直接甲醇燃料電池等技術(shù)類型所取代。
從目前市場情況不難看出，燃料電池其市場占有率微乎其微。然而，燃料電池高比能量的轉(zhuǎn)換效率，以及高于鋰電池2-3倍左右的電能功率，和本身所具備的穩(wěn)定性、實(shí)用性、高能源效率，可說是目前任何蓄電池所不能比擬的。然而鋰離子電池以其成熟的制作技術(shù)和穩(wěn)定的市場份額，對(duì)燃料電池并不買帳，即使在電動(dòng)汽車的應(yīng)用上，鋰動(dòng)力電池可以毫不畏懼地說：鋰動(dòng)力電池在2008已經(jīng)初步開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化了，燃料電池要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化程度目前還有困難，有人認(rèn)為，至少還需要20年。
爭論與抉擇
在選擇何種電動(dòng)源作為研發(fā)電動(dòng)汽車的動(dòng)力源問題上，我國曾經(jīng)有過激烈的爭論。主張使用鋰動(dòng)力電池的指責(zé)燃料電池的弊端，提倡燃料電池的尋找鋰動(dòng)力電池的毛病。既然有爭論，必然有瑕庇。
燃派認(rèn)為，鋰動(dòng)力電池的致命弱點(diǎn)是其本身特點(diǎn)所決定的，它既不允許過充電，也不允許過放電。過充引起燃燒或爆炸，過放電再充電時(shí)同樣也會(huì)引起燃燒或者爆炸。鋰動(dòng)力電池的安全性是其最大的弊病，2002年在中國武漢不就燒毀了兩輛用鋰動(dòng)力電池裝配的電動(dòng)轎車嗎？鋰派認(rèn)為，燃料電池也是一個(gè)易燃易爆的家伙，危險(xiǎn)性更大，特別在制氫和貯氫上都是個(gè)問題，日本不就因?yàn)闅湫孤┒鴮⒃诿绹袌龅霓I車都招回了嗎？另外甲醇燃料也會(huì)產(chǎn)生有毒的醛類排放，對(duì)人類的毒性危害較大。另外甲醇對(duì)金屬有腐蝕作用，對(duì)橡膠皮革有溶漲作用，也會(huì)使塑料制品提前老化等。
在成本方面，鋰派認(rèn)為，鋰動(dòng)力電池的成本比燃料電池要低廉得多，配置二輛燃料電池電動(dòng)汽車的價(jià)錢可以裝置3-4輛鋰動(dòng)力電池電動(dòng)汽車；燃料電池汽車高昂的成本不僅僅表現(xiàn)在初始購買上，還表現(xiàn)在使用過程中，如鉑消費(fèi)、氫燃料電池每產(chǎn)生10kw的峰值就需要消耗2克鉑，現(xiàn)在即使已經(jīng)降低了消耗，但只要繼續(xù)使用鉑金屬，地球僅有的鉑資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了電動(dòng)汽車使用；而氫燃料的提取又是一種復(fù)雜而昂貴的工藝，到目前為止世界上還沒有廉價(jià)提取液態(tài)氫的工藝；而甲醇也不是什么便宜貨，跟汽油的價(jià)錢差不多。燃派認(rèn)為，鋰動(dòng)力電池的初始成本雖然比較低，使用成本電費(fèi)也特別便宜，但鑒于鋰動(dòng)力電池的循環(huán)壽命是十萬公里就需要更換新的電池，成本看不出低多少。
在基礎(chǔ)設(shè)施問題上，鋰派認(rèn)為，這個(gè)問題不僅存在著高低不同的成本投入，一座加氫站或甲醇站的資本投入遠(yuǎn)比一座充電站的投入要高出幾十倍甚至上百倍，而更重要的是存在安全問題，成本的投入和安全系數(shù)的隱患成正比，一座充電站的安全系數(shù)要比一座注氫站的安全系數(shù)要高出幾十倍甚至上百倍。燃派在這個(gè)問題上雖然無言以對(duì)，卻提出燃料電池的使用功率可以大大高出鋰動(dòng)力電池。
所以，在資本投向問題上，燃派認(rèn)為，花費(fèi)大量精力與金錢把“寶”押在鋰動(dòng)力電池電動(dòng)汽車身上，“我看有點(diǎn)懸”。鋰派則認(rèn)為，我們國家目前還不具備大量投入電動(dòng)汽車項(xiàng)目這個(gè)條件，將有限的資金首先投向資本不太高的鋰動(dòng)力電池汽車上，使其逐漸成熟，走向完善，拉動(dòng)鋰動(dòng)力電池電動(dòng)汽車的研發(fā)形成產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化，這是方向性的大事，不可輕舉妄動(dòng)。
我國在十五期間將發(fā)展電動(dòng)汽車項(xiàng)目列為“重中之重”，并采取了“三縱三橫”的技術(shù)發(fā)展路線。“三縱”即純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車和燃料電池汽車；“三橫”是電池、電機(jī)、電控三大技術(shù)。自2001年“863”計(jì)劃下設(shè)74個(gè)研發(fā)課題啟動(dòng)以后，受美國三大汽車公司退出純電動(dòng)汽車研發(fā)的影響，對(duì)純電動(dòng)汽車的投入相對(duì)降溫。然而，經(jīng)過一年多的實(shí)踐以后，特別是由于我國從鋰離子電池生產(chǎn)大國跨入鋰動(dòng)力電池試制最成功的國家，使我國純電動(dòng)汽車技術(shù)成為全球強(qiáng)國，首先突破純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)，并在“十五”期間將所有的課題目標(biāo)均已完成。科技部高新技術(shù)司李健司長在2002年就曾經(jīng)說：“純電動(dòng)汽車不光要突破關(guān)鍵技術(shù)，還要初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車要引導(dǎo)企業(yè)形成規(guī)?；可a(chǎn)，燃料電池汽車是我們的中長期目標(biāo)。”可見，我國在選擇電動(dòng)汽車發(fā)展路線上，首先選擇了純電動(dòng)汽車。當(dāng)然，既然要發(fā)展純電動(dòng)汽車首選動(dòng)力源當(dāng)然是鋰動(dòng)力電池了。現(xiàn)在，在“十五”計(jì)劃目標(biāo)均已完成的基礎(chǔ)上，“十一五”規(guī)劃又將“節(jié)能與新能源汽車項(xiàng)目”列為“重中之重”。
在我國將純電動(dòng)汽車列為首選項(xiàng)目大力發(fā)展的時(shí)候，并不意味著我國對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車就停止研發(fā)。2002年，美國三大汽車公司宣布退出純電動(dòng)汽車的研發(fā)，或許是由于當(dāng)時(shí)“財(cái)大氣粗”，企圖用高起點(diǎn)高投入力圖盡快占領(lǐng)高科技制高點(diǎn)，三大汽車巨頭當(dāng)時(shí)響應(yīng)了小布什總統(tǒng)的“自由燃料計(jì)劃”既美國政府的氫能源戰(zhàn)略目標(biāo)，選擇了向燃料電池汽車發(fā)展的路線。而日本人的戰(zhàn)略眼光是緊盯著美國人轉(zhuǎn)的，日本汽車是美、日、中三大市場，日本人唯恐技術(shù)含量跟不上美國的形勢被市場淘汰。我國將燃料電池汽車項(xiàng)目列為“中長期目標(biāo)”，是根據(jù)我國國情所制定的。燃料電池確定是個(gè)“吃錢”的家伙，需要大劑量的資本投入。在“十五”期間，我國電動(dòng)車項(xiàng)目包括零部件僅投入十億元人民幣，而美國則幾十億上百億美元的“豪賭”?，F(xiàn)在，美國政府又投入巨資，力圖挽救三大汽車巨頭即將破產(chǎn)的命運(yùn)，仍然想通過新能源汽車改善金融危機(jī)帶來的厄運(yùn)，仍然想通過新能源汽車改善金融危機(jī)帶來的厄運(yùn)。我國面對(duì)新的國際經(jīng)濟(jì)形勢，中央政府及時(shí)調(diào)整了世界汽車行業(yè)的發(fā)展策略，一舉投資100億人民幣發(fā)展新能源汽車研發(fā)，在燃料電池電動(dòng)汽車項(xiàng)目上的研發(fā)毫不動(dòng)搖，本著既不讓列強(qiáng)壟斷技術(shù)，也暫不做大劑量投資，首先達(dá)到“你有我也有”的目標(biāo)原則，而繼續(xù)發(fā)展純電動(dòng)汽車項(xiàng)目，以盡快完成、完善純電動(dòng)汽車的技術(shù)水平的提高。以期盡快達(dá)到產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化的程度，使我國的純電動(dòng)汽車產(chǎn)品早日奔馳在世界各地。
較量剛剛開始（結(jié)束語）
鋰離子電池剛剛問世，“就以迅雷不及掩耳之勢”迅速搶占了便攜電器應(yīng)用市場，進(jìn)而發(fā)展到鋰動(dòng)力蓄電池的應(yīng)用市場。鋰電池材料技術(shù)、制備技術(shù)、使用技術(shù)都得到全方位的提高，在向動(dòng)力電池的研發(fā)方面，比能量比功率都得到長足的發(fā)展，以18650圓柱形鋰離子電池為例，2000年這種電池的容量只能達(dá)到1000~1500mAh，目前這種電池的容量已能達(dá)到2500~2800mAh，體積重量并沒有提高，可容量卻增加了一倍，可見，鋰動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的迅速。而鋰動(dòng)力電池的使用技術(shù)，控制管理水平同樣得到關(guān)鍵技術(shù)的突破，鋰動(dòng)力電池在電動(dòng)大客車上的成功使用，已經(jīng)說明了這一切。目前，鋰動(dòng)力電池的任務(wù)是如何高安全性、延長使用壽命和降低生產(chǎn)成本。
而燃料電池的概念卻從1839年就提出來了，至今經(jīng)歷了漫長的170年的歷史。燃料電池發(fā)展一直比較緩慢，主要是由于其工作溫度高、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，因而無法進(jìn)入正常的家用市場，所以其用量一直沒有得到大的擴(kuò)展，也沒有進(jìn)入尋常的百姓視野。直到上個(gè)世紀(jì)六十年代初，由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧燃料電池，應(yīng)用于空間飛行和潛水艇。近年來興起的燃料電池研發(fā)熱潮，主要是因?yàn)椋旱谝?，一次能源的匱乏和環(huán)保要求的突出，雖然其結(jié)構(gòu)、原理十分復(fù)雜，涉及熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)化控制等學(xué)科的有關(guān)理論，但燃料電池確實(shí)具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的普遍重視。第二，隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前電池的能量密度顯得較小，且能量補(bǔ)充必須使用交流電源，由于這兩方面的原因，當(dāng)前的化學(xué)電池越來越不能滿足筆記本電腦、移動(dòng)電話、PDA和軍事方面的需求，這當(dāng)然對(duì)微電子產(chǎn)品的能源系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。由于燃料電池的理論計(jì)算是鋰離子電池能量密度的3倍，功率密度的2倍，并且還可以方便地補(bǔ)充燃料繼續(xù)工作，鑒于比鋰電池存在的兩大優(yōu)勢，所以激發(fā)了開發(fā)商加快研究燃料電池的熱情。其應(yīng)用方向主要是便攜式小型燃料電池、汽車動(dòng)力系統(tǒng)用燃料電池和住宅小區(qū)供電系統(tǒng)用燃料電池。它向鋰電池挑戰(zhàn)的當(dāng)然只能是便攜式小型電器用和汽車動(dòng)力系統(tǒng)用的兩個(gè)方面。
鑒于受燃料電池技術(shù)發(fā)展中最大的瓶頸是貴金屬鉑催化劑，特別在汽車動(dòng)力用燃料電池方面目前還無法逾越，所以說鋰離子電池與燃料電池的較量應(yīng)該說還沒有真正開始，20年以后，鋰離子電池技術(shù)會(huì)更加成熟，而燃料電池也許會(huì)更新?lián)Q代，真正的搏殺到燃料電池能夠大量進(jìn)入市場才能開始，讓我們拭目以待欣賞這場商業(yè)化的競技吧。 （網(wǎng)友對(duì)此文有貢獻(xiàn)）
